變電站地基沉降簡(jiǎn)易觀測(cè)系統(tǒng)的研究

馮 洋，陸 強(qiáng)

（臺(tái)州電業(yè)局， 臺(tái)州 317000）

變電站是電力能源傳輸與變換的重要樞紐。過去變電站通常選址在地勢(shì)較高的地帶，以減少填方量。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，土地資源日益減少，越來越多的平原、灘涂、低洼地帶被開發(fā)利用，變電站也不得不建在這些不宜建站的地區(qū)。隨之而來的是變電站地基沉降問題日益突出，給變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大影響[1-2]。以臺(tái)州地區(qū)為例，由于地處沿海軟弱地基區(qū)域，近十年來共發(fā)生變電站地基沉降案例20余起。因此，加強(qiáng)變電站地基沉降監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地基沉降隱患，減少因地基沉降造成的變電設(shè)施損壞，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 研究現(xiàn)狀

地基沉降是土力學(xué)的主要研究課題之一。早期的沉降監(jiān)測(cè)方法主要有水準(zhǔn)測(cè)量或沉降板法，采用定期測(cè)量、統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，但是存在沒有完善的地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等問題，不利于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，而且價(jià)格昂貴、工作繁重、信息滯后。近年來隨著GPS技術(shù)的日趨成熟以及干涉合成孔徑雷達(dá)（inSAR）技術(shù)的興起，沉降測(cè)量技術(shù)有了新進(jìn)展[3]，但是這些技術(shù)的發(fā)展仍不夠成熟，不容易獲取數(shù)據(jù)，成本也較高[4]。

本文針對(duì)變電站地基沉降的實(shí)際情況，提出了一種基于激光照射技術(shù)的變電站地基沉降簡(jiǎn)易觀測(cè)系統(tǒng)，能夠有效測(cè)量出變電站設(shè)備的不均勻沉降差，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站地基沉降的監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 測(cè)量目標(biāo)及要求

建筑物地基沉降根據(jù)其特點(diǎn)可分為均勻沉降和不均勻沉降兩大類。一般來說，地基產(chǎn)生均勻沉降，對(duì)建筑物本身不會(huì)引起附加內(nèi)應(yīng)力，不會(huì)造成大的危害，但對(duì)地基不均勻沉降則應(yīng)引起足夠重視。當(dāng)不均勻沉降超過建筑物承受限度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生開裂、傾斜甚至倒塌，影響建筑使用，危及安全[5]。因此，目前關(guān)于地基沉降的研究大多是圍繞地基的不均勻沉降展開的。

針對(duì)地基沉降檢測(cè)的特點(diǎn)，根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》[6]等行業(yè)規(guī)范，可確定變電站地基沉降的測(cè)量目標(biāo)是選定區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)之間的相對(duì)沉降差（差異沉降，differential settlement），即不均勻沉降差。此外，根據(jù)該規(guī)范要求，建筑物沉降測(cè)量誤差分4個(gè)級(jí)別：特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)，其精度指標(biāo)分別為0.1 mm，0.3 mm，1 mm和3 mm[6]。根據(jù)變電站的建筑分類特點(diǎn)，考慮到在施工時(shí)已留有較大的沉降裕度，因此對(duì)變電站地基沉降測(cè)量只需滿足三級(jí)精度要求即可。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)采用激光技術(shù)，利用激光特性對(duì)選定位置的標(biāo)尺進(jìn)行照射，并讀取數(shù)據(jù)。由于變電站地基沉降測(cè)量的是不均勻沉降，即相鄰各點(diǎn)之間的相對(duì)沉降差，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想為：在變電站的重要節(jié)點(diǎn)（重要且易發(fā)生沉降處）取幾點(diǎn)作為一個(gè)區(qū)域，將激光發(fā)射器放在地基較穩(wěn)定處，水平轉(zhuǎn)動(dòng)照射測(cè)量點(diǎn)處的標(biāo)尺，讀出并記錄各點(diǎn)的讀數(shù)，再經(jīng)過相應(yīng)算法計(jì)算出不均勻沉降差。

2.3 算法思想

測(cè)量類課題的數(shù)據(jù)算法與數(shù)據(jù)的獲取同樣重要，優(yōu)秀的算法能有效降低測(cè)量誤差，濾除測(cè)量中難以避免的干擾。沉降測(cè)量中常用差值算法，即該點(diǎn)兩次測(cè)量之差。但是在本課題的測(cè)量過程中，最大難點(diǎn)就是在同一區(qū)域前后兩次測(cè)量中無法保證基準(zhǔn)點(diǎn)處于同一高度、同一位置，因此差值算法便無法得到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

因此，本系統(tǒng)采用了一種新的算法思想，稱之為差值的差值算法。以2點(diǎn)測(cè)量為例，第一次測(cè)量時(shí)記錄2點(diǎn)各自的讀數(shù)，第二次測(cè)量時(shí)再分別記錄2點(diǎn)的讀數(shù)，將2點(diǎn)各自的2次差值進(jìn)行比較，其差值就是2個(gè)點(diǎn)在該段時(shí)間內(nèi)的相對(duì)沉降差（即不均勻沉降差）。該算法原理如圖1所示。

圖1 算法原理圖示

相對(duì)沉降差計(jì)算如下：

由此可見，差值的差值算法可有效消除測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)不一致產(chǎn)生的誤差，從而正確反映測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)沉降差。

2.4 激光發(fā)射器及測(cè)量?jī)x器支架選擇

系統(tǒng)的激光源采用變電站標(biāo)配的紅外測(cè)溫儀上的激光束，該儀器發(fā)出的激光束的激光品質(zhì)雖較專業(yè)激光發(fā)射儀略低，但經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，距10 m遠(yuǎn)處光點(diǎn)直徑為2.0 mm時(shí)，可以滿足本課題的精度需求。此外，該紅外測(cè)溫儀為變電站標(biāo)準(zhǔn)配置之一，無需額外購置，并具有配套的底座及螺母，使用方便、成本低廉。

測(cè)量?jī)x器支架采用專業(yè)單反相機(jī)三腳架，其底座與紅外測(cè)溫儀之間連接緊密，沒有軸向可動(dòng)縫隙，有效保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，操作也極為方便。三腳架可固定為只能水平旋轉(zhuǎn)，確保平臺(tái)整體移動(dòng)。三腳架上的水平調(diào)節(jié)氣泡類似水平儀，可確保測(cè)量時(shí)激光束始終保持水平照射。

測(cè)量前，用其他水平尺從各個(gè)方向測(cè)試三腳架上端底座的位置，將其調(diào)至水平。測(cè)量過程中，通過觀察氣泡保持三腳架在水平位置。

確保三腳架及其上端底座均始終保持水平后，再將激光發(fā)射儀器安裝到三腳架上進(jìn)行照射測(cè)量，可保證每次測(cè)量時(shí)都保持水平的狀態(tài)。測(cè)量?jī)x器制作安裝過程如圖2所示。

圖2 沉降觀測(cè)儀器制作安裝流程

3 地基沉降實(shí)測(cè)

測(cè)量時(shí)，選擇較為穩(wěn)定的過道為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)選定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)區(qū)域取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，激光照射在標(biāo)尺上，并選擇激光點(diǎn)中心為基準(zhǔn)進(jìn)行讀數(shù)。

每個(gè)測(cè)量點(diǎn)第一次測(cè)量時(shí)在選定的區(qū)域立柱上標(biāo)定2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，以保證下一次測(cè)量時(shí)標(biāo)尺的位置不發(fā)生偏移。在同一個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)測(cè)量點(diǎn)來回平移3次，取3次讀數(shù)的平均值為測(cè)量讀數(shù)以減少方差，從而獲得更高的精度。

3.1 測(cè)量誤差檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)本系統(tǒng)的測(cè)量誤差，選取某個(gè)測(cè)量區(qū)域由10名值班人員依次進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量點(diǎn)與測(cè)量?jī)x之間的最大距離為11 m。每一次測(cè)量?jī)?nèi)容包括系統(tǒng)組裝、水平調(diào)試和讀取數(shù)據(jù)，以判斷測(cè)量結(jié)果的誤差是否滿足要求。按照此步驟，得到測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

由表1可見，10組測(cè)量數(shù)據(jù)的最大誤差為2.5 mm，最小誤差為1 mm，平均誤差為1.8 mm，滿足三級(jí)精度3.0 mm的要求。

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

從2011年7月起，采用本系統(tǒng)對(duì)臺(tái)州電業(yè)局500 kV柏樹變電站每月進(jìn)行1次測(cè)量，其中4個(gè)區(qū)域7-9月份的測(cè)量數(shù)據(jù)見表2，區(qū)域1為220 kV正母Ⅰ段TV、區(qū)域4為220 kV副母Ⅱ段TV、區(qū)域5為35 kVⅡ段母線、區(qū)域8為500 kV第1串。

經(jīng)差值的差值算法計(jì)算之后，得出各測(cè)量點(diǎn)的地基不均勻沉降差如表3所示。

通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析比較，發(fā)現(xiàn)區(qū)域8在7-9月間的不均勻沉降差只有3 mm，而區(qū)域4已達(dá)到14 mm，這是由兩處地基情況不同造成的，區(qū)域8為HGIS設(shè)備整體地基，較為堅(jiān)實(shí)；而區(qū)域4的地基在建站前為魚塘，后經(jīng)填土而成，由于填土不均勻造成相對(duì)沉降差比其他區(qū)域大，說明測(cè)量結(jié)果符合客觀事實(shí)。此外，區(qū)域4處的不均勻沉降差已接近《柏樹500 kV變電站地基沉降測(cè)量管理規(guī)范（試行）》中界定的Ⅲ級(jí)沉降，在日常巡視和沉降測(cè)量中應(yīng)作為重點(diǎn)區(qū)域處理。

表1 誤差測(cè)量表 mm

表2 測(cè)量結(jié)果表（7-9月） mm

表3 測(cè)量結(jié)果分析表 mm

4 結(jié)語

本文介紹的變電站地基沉降簡(jiǎn)易觀測(cè)系統(tǒng)，為變電站地基沉降觀測(cè)提供了切實(shí)可行且成本低廉的新方法，能夠有效測(cè)量出設(shè)備的不均勻沉降差，并且可以隨時(shí)對(duì)所需區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，改善了目前變電站地基沉降測(cè)量時(shí)間間隔長(zhǎng)、成本高、信息滯后等現(xiàn)狀，可確保及時(shí)掌握沉降情況，避免因變電站地基沉降而造成計(jì)劃外停電事故的發(fā)生。本系統(tǒng)已應(yīng)用于浙江省臺(tái)州電業(yè)局500 kV變電站地基沉降監(jiān)測(cè)工作中，并獲得2011年浙江省電力公司QC成果一等獎(jiǎng)和浙江省質(zhì)量協(xié)會(huì)QC成果一等獎(jiǎng)。

[1]徐林海．軟弱地基變電站沉降問題的分析與處理[J]．浙江電力，2006（5）:35-39.

[2]向海清．如何處理變電站軟弱地基的沉降問題[J]．廣東科技，2009（18）:173-174.

[3]IKENHARA M E.Measuring land subsidence with global positioning system surveying Sacramento valley.California[C].Hyatt Regency,Sacramento,California:AEG.GRA 1995 Annual Meeting.1995.

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[5]席永慧，陳建峰．土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006．

[6]JGJ8-2007建筑變形測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國建設(shè)工業(yè)出版社，2007．